Atmosphärische Spurenstoffe und ihre Sondierung - IUP

DOI: 10.1002/ciuz.200700426
Atmosphärische Spurenstoffe
und ihre Sondierung
J OHN BURROWS | H ERBERT F ISCHER | K LAUS K ÜNZI | K LAUS P FEILSTICKER | U LRICH P LAT T |
A NDREAS R ICHTER | M ARTIN R IESE | G ABRIELE S TILLER | T HOMAS WAGNER
Viele Eigenschaften unserer Atmosphäre sind durch die Spurenstoffe geprägt. Diese sind durch menschliche Eingriffe und
natürliche Prozesse einem ständigen Wandel unterworfen.
Um diesen Wandel besser zu verstehen und vorherzusagen,
wird die Atmosphäre in den meisten Regionen fortlaufend mit
modernen Messinstrumenten untersucht. Entsprechend der
Fragestellungen werden dazu sowohl in-situ („vor Ort“)-Verfahren als auch die Methoden der Fernerkundung eingesetzt.
Neuerlich liefern satellitengetragene Fernerkundungsmethoden die Möglichkeit der globalen Beobachtung, wodurch
völlig neue Perspektiven in der Charakterisierung der raumzeitlichen Entwicklung von atmosphärischen Spurenstoffen
und deren Deutung ermöglicht wurden.
In-situ-Messungen
Die Bedeutung der „vor-Ort“-Messung
Während die große Stärke der Fernerkundungsverfahren im
Zugang ferner (nicht-lokaler) atmosphärischer Regionen
und dem schnellen Erfassen ausgedehnter räumlicher atmosphärischer Strukturen liegt, besitzen in-situ-Messverfahren (lateinisch für „vor-Ort“) Vorteile in der erreichbaren
Messgenauigkeit der beobachteten atmosphärischen Parameter sowie in der Auflösung von kleinen räumlichen Strukturen und ihrer raschen zeitlichen Änderung. Auch können
mit Hilfe von in-situ-Messungen eine größere Zahl atmosphärische Parameter mit unterschiedlichen Messmethoden
erfasst werden. So werden atmosphärische in-situ-Messverfahren gerne bei meteorologischen und klimatischen Langzeitbeobachtungen, zur Emissionsüberwachung technischer
Anlagen, bei der lokalen, regionalen Umweltüberwachung
und beim Studium atmosphärischer Prozesse, wie die Untersuchung der mikro- und mesoskaligen Dynamik, Fragen
der Wolkenbildung und des Strahlungstransportes und photochemischer Prozesse eingesetzt.
Folgende wissenschaftliche Fragestellungen werden in
der heutigen Atmosphärenforschung vornehmlich mit insitu-Methoden untersucht:
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– Luftchemische Fragen, wie die Emission und die Transformation von Luftschadstoffen in der Atmosphäre, die
Bildung von photochemischem Smog, die Photochemie
stratosphärischen Ozons, der Abbau klimawirksamer
langlebiger Verbindungen in der Stratosphäre und Mesosphäre (z. B. von SF6) oder die Bildung leuchtender
Nachtwolken in der polaren Mesosphäre.
– Die Wechselwirkung von klimawirksamen Gasen und Aerosolen mit dem atmosphärischen Strahlungshaushalt.
Typische Beispiele hierfür sind die Empfindlichkeit der
Änderungen der atmosphärischen Ozon-, Wasser-, und
Kohlendioxidkonzentrationen auf die Strahlungsheizung
bzw. -kühlung und damit dem diabatischen Transport in
der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre der
Tropen, oder die Wirkung von vulkanischen, mineralischen und anthropogen emittierten Aerosole auf die
Strahlungsbilanz.
– Das Studium des Austausches von Energie, Impuls und
(Spuren-) Stoffen an den Grenzschichten Atmosphäre/
Wasser, Atmosphäre/Biosphäre, Atmosphäre/Boden, und
Atmosphäre/Kyrosphäre. Typische Beispiele hierfür sind
u.a. Untersuchungen zum Transport von horizontalem
Impuls auf Wasseroberflächen und die Bildung von ozeanischen Wellen, der ozeanischen Senke des klimawirksamen Gases Kohlendioxids, der Evatranspiration in semiariden Gebieten, oder der Einfluss von Luftverschmutzung auf das Rückstreuvermögen (Albedo) von
Schnee und Eis.
– Viele meteorologische Prozesse sowie Fragen der atmosphärischen Dynamik mit einer Präferenz für kleine
und mittlere räumliche Skalen. Typische Beispiele hierfür sind u.a. die Bildung von konvektiven Zellen, die Wolkenbildung und die Bildung von Starkniederschlag in der
Troposphäre, Fragen der Turbulenz wie das Studium des
Energiespektrums von Windfeldern und ihrer Intermittenz, der Transport von Luftmassen zwischen der Troposphäre und Stratosphäre oder die Bildung stratosphärischer Wolken.
Die für die Atmosphärenforschung wichtigen Parameter
und Größen können in zwei Gruppen aufgeteilt werden:
– Größen, deren Eigenschaften sich durch eine Probennahme nicht ändern bzw. über längere Zeit erhalten bleiChem. Unserer Zeit, 2007, 41, 170 – 191
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Abb.1 Aufbau der Erdatmosphäre und Messträger der atmosphärischen Forschung.
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Abb. 2 Vollautomatischer CARIBIC-Messcontainer, wie er einmal
pro Monat für vier
aufeinander folgende Flüge im
Frachtraum eines
umgebauten Airbus A340-600 der
Lufthansa eingebaut wird. CARIBIC
wird in Deutschland koordiniert;
insgesamt sind
11 europäische
Institute beteiligt.
Methoden der in-situ-Messungen
ben. Hierfür wird eine geeignete Sammelapparatur (zumeist ein Luftsammler) zur Probennahme benötigt. Entsprechende Luft- oder Aerosolproben können im Labor
mit analytischen Methoden vermessen und mit Standards
sehr genau kalibriert werden. Dazu zählen die Konzentrationen der meisten Quellgase (CH4, N2O, FCKWs,
OCS, Kohlenwasserstoffe) und vieler länger lebender
Radionuklide sowie die isotopische Zusammensetzung
von z.B. H2O, CH4 und N2O.
– Größen, die augenblicklich am Ort bestimmt werden
müssen, da ihre Eigenschaft nicht über längere Zeit konserviert werden kann. Dazu gehören praktisch alle meteorologischen Größen wie Lufttemperatur, Druck, Windgeschwindigkeit, Feuchte, die Konzentrationen von luftchemisch wichtigen Spurengasen und Radikalen wie O3,
OH, NO3, NO, NO2 und BrO, viele Reservoirgase (H2SO4,
HNO3, N2O5, Peroxyacetylnitrat (PAN)), Quellgase polarer Natur und/oder geringer chemischer Bindung, die
meisten physikalischen bzw. chemischen Eigenschaften
atmosphärischer Aerosole und Wolkentröpfchen und
Kristalle, wie ihre Größenverteilung, die physikalische
Phase oder ihre chemische Zusammensetzung.
Einen Überblick über die gängigen analytischen in-situMethoden der Atmosphärenforschung zeigt Tabelle 1. Diese
Methoden umfassen neben den üblichen meteorologischen
Messinstrumenten eine Vielzahl an unterschiedlichen Instrumenten zur Erfassung der atmosphärischen Zusammensetzung, Photochemie, Mikrophysik, Dynamik und Strahlung:
– Optische Methoden wie die Absorptionsspektrometrie,
gekoppelt mit White-Zelle oder optischem Resonator, Laser-induzierter Resonanzfluoreszenz, Cavity Ring Down
Spectroscopy (CRDS), Diodenlaserspektroskopie, Laserbasierte Photoakustik (LPAS), Quantum-Cascade-LaserAbsorptionspektroskopie, Spektralradiometer, Pyrgeometer oder Vorwärtsstreuexperiment (FSSP)
– Massenspektrometrie wie chemische Ionisations-Massenspektroskopie (CIMS), Protonen-Transfer-ReaktionMassenspektrometrie (PTR-MS), Beschleuniger-Massenspektrometrie, Laufzeit-Massenspektrometrie (TOF)
– Gaschromatographie mit und ohne Massenspektrometerkopplung, Denuder gekoppelt mit Hochdruckgaschromatographie (HPLC), Filteranalytik mit Flüssigkeitsgaschromatographie
– Chemische Verstärker, wie der „peroxy radical chemical
amplifier“ (PERCA)
– Chemilumineszenz
– Elektrochemische Methoden
– Proportionalzählrohre
– Impaktoren
Allen Messmethoden gemeinsam ist die Schwierigkeit, vom
jeweiligen Messträger unbeeinflusste Umgebungsluft zu erhalten, denn ganz unvermeidlich beeinflusst jeder Messträger die physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften der Umgebungsluft. Zum einen verändert er in der
Regel das ihn umgebende Strömungsfeld, was z.B. zu einer
Abb. 3 Gruppenphoto der an dem
SCOUT-O3-Vorhaben beteiligten
Wissenschaftler
mit den Forschungsflugzeugen Falcon der
DLR (links) und
der russischen
GEOPHYSICA
(rechts) auf dem
Flughafen in
Darwin/Australien
im Januar 2006.
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Separation von Luft und Aerosolpartikel führen kann. Bei
sich schnell bewegenden Messträgern (Flugzeuge und Raketen), muss dafür Sorge getragen werden, dass nur die ungestörte Umgebungsluft außerhalb der hydrodynamischen
Grenzschicht des Messträgers analysiert wird. Diese Grenzschicht ist bei Flugzeugen typischerweise 10 – 40 cm dick.
Eine Beeinflussung der chemischen Eigenschaften der Umgebungsluft kann auch direkt durch die Emission von Spurenstoffen in die umgebende Atmosphäre erfolgen oder indirekt als Folge der Störung des Strahlungsfeldes durch den
Messträger. Zum Beispiel ist bekannt, dass die Kunststoffhülle großer Stratosphären-Ballone signifikante Mengen an
Wasserdampf, der beim Ballonaufstieg aus der Troposphäre als Haftwasser mitgebracht wird, in die Umgebungsluft
entlässt.
Daher werden stratosphärische in-situ-Messungen von
Wasserdampf (und anderer Spurengase) grundsätzlich nur
im kontrollierten Abstieg des Ballons unternommen, bei
dem das unten hängende Messgerät stets von kontaminationsfreier Umgebungsluft umspült wird.
Messträger
Die Wahl des Messträgers wird von den gewünschten Untersuchungen bestimmt. So sollten die zu untersuchenden
atmosphärischen Regionen leicht erreicht werden können,
d.h. Einsatzhöhe, Reichweite und Fluggeschwindigkeit des
Messträgers müssen den Untersuchungen angepasst sein. So
erlauben einerseits schnell fliegende Messträger (z. B. Raketen) eine schnell aufeinander folgende Erfassung großer
atmosphärischer Regionen, was bei manchen Untersuchungen ein großer Vorteil ist. Andererseits stellen jedoch
ABB. 4
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große Fluggeschwindigkeiten hohe Anforderung an die zeitliche Auflösung der Instrumente, denn sie führen zu einer
wesentlichen Einschränkung der erreichbaren räumlichen
Auflösung bei den zu messenden atmosphärischen Parametern. Letzteres Problem ist unmittelbar mit der für jede
Messmethode möglichen Zeitauflösung bei gegebener Messgenauigkeit verknüpft. Die Atmosphärenforscher haben in
der Vergangenheit fast alle zur Verfügung stehenden Luftfahrtzeuge in der atmosphärischen Grundlagenforschung
eingesetzt (Abbildung 1). Dazu gehören:
Fesselballone (Gipfelhöhe 1000 m, Tragkraft einige 10 kg),
mit denen man hervorragend länger andauernde meteorologische und luftchemische Untersuchung in der planetaren
Grenzschicht durchführen kann.
Drachen und Hängegleiter (v einige m/s, Gipfelhöhe
einige 1000 m, Tragkraft einige kg), die u.a. schon für die
störungsfreie Messung des aktinischen Strahlungsflusses als
Funktion der Bewölkung und atmosphärischen Aerosolbelastung eingesetzt wurden.
Luftschiffe (Zeppeline) (Flughöhe einige 1000 m, Tragkraft einige 1000 kg, Reichweite einige 1000 km), die erst
seit jüngster Zeit der atmosphärischen Forschung zur Verfügung stehen. Ihr Vorteil besteht in ihrer variablen Geschwindigkeit wodurch Lagrange-Experimente möglich
sind. Bei diesen Experimenten wird das Luftschiff genau
mit der Windgeschwindigkeit der Umgebungsluft über
Grund bewegt, sodass das Luftschiff stets von der gleichen
Luftmasse umgeben wird.
Flugzeuge (v einige 100 m/s, Gipfelhöhe < 21 km), die
für eine Vielzahl an Forschungszielen eingesetzt werden.
So dienen kleinere Flugzeuge zumeist der lokalen und re-
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In-situ-Messgerät
SIOUX (Stratospheric Observation Unit for nitrogen oXides) des
Deutschen Zentrums für Luftund Raumfahrt.
SIOUX ist ein Zweikanal-Chemolumineszenz-Instrument und kommt
am Höhenforschungsflugzeug
M55-Geophysica
zum Einsatz. In
Kanal A wird
Stickstoffmonoxid
(NO) und in Kanal
B die Summe der
reaktiven Stickstoffverbindungen
(NOy) gemessen.
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TA B . 1
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M E S S G R Ö ß E N U N D - PR I N Z I PI E N VO N I N - S I T U - B EO BAC H T U N G E N D E R AT M OS PH Ä R E
Messgröße
Instrument/Messprinzip
Anwendung
Referenzen
O3
UVAbsorptionsspektrometer, Chemiluminesenz,
Elektrochemische Sonde, Massenspektrometer
Resonanz-Fluoreszenz und optische Absorption
Ly-α Resonanz Fluoreszenz, Hygrometer, Frostpunkthygrometer, Laser basierte Photoakustik (LPAS), durchstimmbarer
Diodenlaser (TDL), kryogenes Sammeln
Laser-induzierte Fluoreszenz (LIF) und chemische Ionisation,
Matrix Isolation, Massenspektroskopie (CIMS)
Denuder
‘Grab’ oder kryogenes Sammeln, Rest Gas Analysator (RGA)
Peroxy Radical Chemischer Verstärker (PERCA) und
Massenspektroskopie (CIMS)
Infrarot CO2 Analysator, Gaschromatographie (GC),
Durchstimmbarer Diodenlaser (TDL),
Vakuum-Ultraviolet (VUV) Spektrometer, durchstimmbarer
Diodenlaser (TDL), Rest Gas Analysator (RGA)
Gaschromatographie, durchstimmbarer Diodenlaser (TDL)
Protonen Transfer Reaktion Massenspektrometer (PTR-MS)
und Gaschromatographie Massenspektrometer (GC-MS)
Photochemie
atm. Transport,
Photochemie, atm. Plasmaphysik
Mikrophysik
[1]
[2]
[3]
Photochemie
[4]
Photochemie
Photochemie
[5]
[6]
Photochemie
Klima
[7]
[8]
Photochemie, Transport
[6]
Photochemie
Photochemie
[9]
[10]
Photochemie
[11]
Photochemie
Photochemie
Photochemie
Photochemie, Heterogene Chemie
Photochemie, Heterogene Chemie
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
Photochemie, Mikrophysik
Atmosphärische Photochemie,
Mikrophysik
[17]
[18]
Photolyse, Laser-induzierte Fluoreszenz (LIF)
Photochemie
[19]
Cavity Ring Down Spektrometer (CRDS)
Cavity Ring Down Spektrometer (CRDS) und Laser-induzierte
Fluoreszenz (LIF)
Chemische Ionisation Massenspektroskopie (CIMS)
durchstimmbarer Diodenlaser (TDL)
Gaschromatographie mit Chemilumineszenz
Chemische Ionsations- Massenspektroskopie (CIMS)
Quantum Cascade Laser
Chemische Ionsations- Massenspektroskopie (CIMS)
Gesamtluftsammler mit Gaschromatographie und/oder
Massenspektrometer, durchstimmbarer Diodenlaser (TDL)
Photochemie
Photochemie
[20]
[20]
Photochemie
Photochemie
Photochemie
Photochemie
Photochemie
Photochemie
Atmosphärischer Transport
Photochemie
[21]
[22]
[23]
[24]
[25]
[26]
[27]
Filter mit Photonen-vervielfacher
Massenspektrometer und Faradaybecher
Transport, Mikrophysik
Photochemie, Plasmaphysik
[28]
[29]
2π Radiometer
Photochemie, Strahlungstransport
[30]
Pyrgeometer
Impaktor, Laser Optische Partikelinstrument, Vorwärtsstreuexperiment (FSSP)
Wachstumskammer Zwei-kanal Kondensationkern-zähler
Filteranalytik, Laserablation Massenspektrometer (AMS),
Time of Flight Spektrometer
Strahlungstransport
Mikrophysik
[31]
[32]
Mikrophysik
Mikrophysik, Photochemie
[33]
[34]
O (3S,3P)
H2O
OH/HO2
H2O2
H2
RO2
CO2
CO
CH4
Flüchtige Organische
Substanzen (VOC) und
Nicht Methan Kohlenwasserstoffe (NMHC)
CH2O
(CH3)2CO
Peroxyacetylnitrat (PAN)
CH3CN
Cl, ClO, BrO
ClOOCl, ClONO2
HBr, HCl, HF
NO und totales NOy
(= NO, NO2, NO3, HNO3,
N2O5, ClONO2)
NO2
NO3
N2O5
HNO3
HNO2
Alkylnitrate
SO2, H2SO4, MSA, DMSO
OCS
NH3
Isotopomere: HDO, H218O,
13
CH4, 12CDH3, 17O3 18O3,
C17OO, H2, HD, 13CO,
14
CO, C18O, C17O, ….
Radon
Positive und negative
Kleinionen, Elektronen
Aktinischer Fluß:
J(NO2), J(O3), J(O(1D))
Breitbandige solare Strahlung
Aerosole (Größenverteilung)
Kondensationkeime
Aerosole (Zusammensetzung)
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Durchstimmbarer Diodenlaser (TDL), Denuder mit
Hochdruckgaschromatographie (HPLC)
Chemische Ionisation Massenspektroskopie (CIMS)
Gaschromatographie, Massenspektroskopie (CIMS)
Massenspectometer (CIMS)
Chemische Konversion und Resonanz-Fluoreszenz
Thermische Dissoziation/Chemische Konversion und
Resonanz-Fluoreszenz
Filteranalyse mit Chromatographie
Chemilumineszenz ohne/mit Goldkatalysator
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gionalen Umweltüberwachung, aber auch für Untersuchungen zur mesoskaligen Dynamik, Wolkenbildung, Strahlungsbilanz, und Photochemie in der untersten Atmosphäre. Größere und leistungsstärkere Flugzeuge benützt man
hingegen vor allem zur Untersuchung von Prozessen von regionaler und hemisphärischer Bedeutung, wie z. B. interkontinentaler und interhemisphärische Transport von Luftschadenstoffen, die Photochemie, Mikrophysik, und Transport des Ozons in der oberen Troposphäre und unteren
Stratosphäre oder die Bildung des Ozonloches. Große Flugzeuge besitzen zudem den Vorteil, dass man auf viele Messgeräte zurückgreifen und damit eine große Anzahl atmosphärischer Parameter gleichzeitig messen kann, was eine
synergetische Interpretation der Messungen stark verbessert. Eine besonders interessante Anwendung ist hierbei
die Verwendung von regelmäßig verkehrenden Verkehrsflugzeugen. Dabei werden im Rahmen des Projektes CARIBIC (Civil Aircraft for the Regular Investigation of the atmosphere Based on an Instrument Container) in-situ-Messungen von luftchemisch und klimatisch relevanten atmosphärischen Spurenstoffen auf Linienflügen der Lufthansa
vorgenommen (Abbildung 2). Eine besondere Klasse von
Forschungsflugzeugen stellen auch die russische GEOPHYSICA und die amerikanische ER-2 dar, die beide ehemals
zu Spionagezwecken eingesetzt wurden. Beide Flugzeuge
zeichnen sich durch ihre große Gipfelhöhe (< 21 km) aus,
womit die sonst nur schwer erreichbare, aber photochemisch und klimatisch bedeutsame oberste Troposphäre und
untere Stratosphäre (15 – 21 km) erreicht werden können
(Abbildungen 2 und 3). Diese Flugzeuge wurden u.a. sehr
erfolgreich zur Untersuchung der chemischen und dynamischen Prozesse eingesetzt, die zur Bildung des stratosphärischen Ozonloches im antarktischen Frühjahr führen,
oder auch für Untersuchungen der klimatisch wichtigen
tropischen oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre
(Abbildungen 3 und 4).
Hochfliegende unbemannte Drohnen (Gipfelhöhe
22 km, Reichweite bis zu 25000 km, v = 100 m/s, typ. Tragkraft < 500 kg), die von der NASA zur Erforschung der Dynamik und Photochemie der schwer erreichbaren subtropischen und tropischen Tropopausenregion und unteren
Stratosphäre (15 – 22 km) in jüngster Zeit verwendet werden. Drohnen besitzen im Gegensatz zu den Höhenforschungsflugzeugen eine wesentlich größere Reichweite und
Einsatzzeit, wodurch sich sehr entlegene Gebiete über dem
Pazifik oder die Antarktis mühelos und gefahrlos erreichen
und untersuchen lassen.
Ballone: Kleine Ballone (Tragkraft einige kg, Gipfelhöhe
bis 35 km) werden von vielen Wetterdiensten für die regelmäßige meteorologische Überwachung der unteren und
mittleren Atmosphäre eingesetzt. Große Ballone (Gipfelhöhe bis 45 km, Reichweite bis zu 5 Erdumlaufen, Tragkraft < 2 t, v einige 10 m/s) kommen hingegen häufig zur
Erforschung der stratosphärischen Ozonschicht zum Einsatz.
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Raketen (Tragkraft < 1t, Gipfelhöhe einige 100 km, Flugdauer einige 10 Minuten), die bisher vor allem zur Untersuchung der Atmosphäre oberhalb der Gipfelhöhe der Ballone ( > 45 km, d.h. in der oberen Stratosphäre, Mesosphäre, Thermosphäre, und Exosphäre) eingesetzt wurden.
Ihr Vorteil besteht in ihren großen möglichen Gipfelhöhe,
wodurch sich mit anderen Methoden nicht erreichbare atmosphärische Regionen untersuchen lassen.
Boden- und flugzeuggestützte
Fernerkundung
Prinzipien der Fernerkundung
In der Fernerkundung werden grundsätzlich zwei verschiedene physikalische Prinzipien angewandt: Absorption
eines externen Signals und thermische Emission aus der
Atmosphäre. In der Absorptionsspektroskopie ergibt sich
das Signal aus der Abschwächung der Intensität I0 einer
Strahlungsquelle durch den zu messenden Spurenstoff.
Quantitativ wird der Zusammenhang zwischen Konzentration und gemessenen Lichtintensitäten durch das Gesetz
von Lambert-Beer beschrieben:
I(λ) = I0(λ) exp(– S σ(λ))
(1)
In Gleichung (1) bedeuten I0(λ) bzw. I(λ) die (wellenlängenabhängigen) Intensitäten vor bzw. nach Durchlaufen
einer Messstrecke in der sich der Spurenstoff mit der Säulendichte S befindet, σ(λ) bezeichnet den (wellenlängenabhängigen) Absorptionsquerschnitt des Spurenstoffs, die
Säulendichte ist das Integral der Konzentration über die
Messstrecke (Länge L) mit der Spurenstoffkonzentration
c(l):
L
S = ∫ c ( l ) dl = c · L.
(2)
0
Die Säulendichte kann auch als Produkt der über die
Messstrecke gemittelten Konzentration mit der Länge L der
Messstrecke geschrieben werden. Mit diesen Größen lässt
sich die mittlere Spurenstoffkonzentration als Funktion der
zu messenden Intensitäten I0, I (bzw. der Optischen Dichte D) ausdrücken:
⎛ l (λ ) ⎞
log ⎜ 0
⎝ l ( λ ) ⎟⎠
D
.
c=
=
σ (λ ) · L
σ (λ ) · L
(3)
Absorptionsspektroskopische Messungen werden in vielen Varianten angewandt, die sich in einer Reihe von Merkmalen unterscheiden: Art der Lichtquelle (natürlich oder
künstlich), Anordnung des Lichtweges (direkter Weg zwischen Lichtquelle und Empfänger bzw. Empfang von gestreutem Licht), Art der Messung (mittlere Spurenstoffkonzentration oder Länge des Lichtweges L, etwa in Wolken).
Eine Reihe der Varianten ist in Abbildung 5 dargestellt.
In der Emissionsspektroskopie wird die thermische
Emission elektromagnetischer Strahlung durch atmos-
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phärische Spurenstoffe ausgenutzt, um deren Säulendichte
bzw. Konzentration zu bestimmen. Da thermische Emission in nutzbarer Intensität bei allen atmosphärischen Temperaturen nur bei Wellenlängen oberhalb von 3 – 4 μm stattfindet, ist Emissionsspektroskopie nur im IR- und Mikrowellenbereich möglich. Damit sind aber Messungen ohne
fremde Strahlungsquellen (z.B. die Sonne) am Tag und in
der Nacht möglich. Nachteil der Emissionsspektroskopie
ist die Notwendigkeit der Eichung der Strahlungsmessungen
mit Schwarzkörpern.
Das Signal I(λ), das der Sensor empfängt, wird durch die
Strahlungstransfergleichung beschrieben. Für die Intensität
I (L,λ) in der Höhe L als Funktion der Wellenlänge λ gilt:
mit I0 der Intensität der Strahlung, die von außen in die Atmosphäre eintritt und entsprechend der optischen Dichte
(Opazität) der gesamten Atmosphäre D0 abgeschwächt
wird; l ist die Distanz vom Sensor mit der maximalen Distanz L an den Rand der Atmosphäre. Das Integral beschreibt
den Strahlungsbeitrag aus der Atmosphäre, σ(L,λ) ist der
Absorptionskoeffizient an der Stelle l der eine Funktion der
Zusammensetzung, der Temperatur und des Druckes ist
und (T,λ) ist die Quellfunktion, die für thermische Strahlung
durch die Planckfunktion beschrieben wird und von der
Wellenlänge λ und der Temperatur T abhängt. Das Produkt
aus Absorption und Quellfunktion an der Stelle l wird mit
der Opazität Dl abgeschwächt. Für die Opazitäten gilt:
L
I ( L, λ ) = I 0 exp (– DL ) + ∫ σ ( l, λ ) · P (T , λ ) · exp (–( DL – D l ))dl
0
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L
l
DL ( λ ) = ∫ c ( l ) · σ ( l , λ ) dl und Dl = ∫ c ( l' ) · σ ( l', λ ) dl'.
0
0
Für einen Sensor am Boden ist I0 die kosmische Hintergrundstrahlung, für einen Sensor in einem Flugzeug oder
Satelliten, der in Richtung Erde beobachtet, ist I0 die Eigenstrahlung der Erdoberfläche. Messungen sind natürlich
bei beliebigen Winkeln zum Nadir möglich. Zur Untersuchung von Molekülen, die nur in sehr geringen Konzentrationen vorkommen, wird die Horizontabtastung (englisch
limb sounding) eingesetzt unter Verwendung einer Plattform innerhalb und oberhalb der interessierenden Atmosphärenschichten. Durch diese Beobachtungsgeometrie werden sehr lange Wege in der Atmosphäre ermöglicht.
Durch eine geeignete Wahl der Beobachtungswellenlänge kann man erreichen, dass man im wesentlichen nur
ein Signal von einem bestimmten Molekül in der Atmosphäre misst; wenn die atmosphärische Temperatur- und
Druckverteilung mit ausreichender Genauigkeit bekannt ist,
kann aus der Messung der Strahlungsintensität I auf die vertikale Verteilung des betreffenden Moleküls geschlossen
werden. Falls die Verteilung des strahlenden Moleküls bekannt ist, kann mit Hilfe dieser Messung auch das Temperaturprofil bestimmt werden.
Je nach benutztem Wellenlängenbereich muss der Effekt der Streuung an Teilchen in der Atmosphäre unterschiedlich behandelt werden. Für infrarote und sub-mm
Wellen muss ein Streuungsalgorithmus unter Berücksichtigung der Teilchengrößenverteilung und Teilchenform verwendet werden. Entsprechende Algorithmen sind verfügbar, sind aber sehr rechenintensiv. Für den langwelligen Teil
des Mikrowellenspektrums (λ >1cm) beschränkt sich der Effekt von Teilchen auf deren dielektrische Verluste im Material. Von Vorteil ist, dass man bei geeigneter Wahl der Wellenlänge durch Messung der Strahlung auf die Teilchengrößen und deren Form schließen kann.
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Nutzbare Spektralbereiche
Das Prinzip der Absorptionsspektroskopie wird in vielen Varianten angewandt, die
sich durch die Art der Lichtquelle (natürlich oder künstlich), der Anordnung des
Lichtweges (direkter Weg zwischen Lichtquelle und Empfänger bzw. Empfang von
gestreutem Licht) sowie der Art der Messung (mittlere Spurenstoffkonzentration
oder Länge des Lichtweges) unterscheiden.
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Bei Aufnahme oder Abgabe eines Lichtquants (Photons) aus
dem Strahlungsfeld der Atmosphäre gehen die Moleküle in
einen um die Energie des Quants energetisch höheren bzw.
tieferen Zustand über. Nach den Regeln der Quantenme-
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SPURENSTOFFSONDIERUNG
chanik sind nur bestimmte Zustände zulässig, die diskrete
Energiewerte besitzen. Bei Emission oder Absorption eines
Photons wird an der entsprechenden Position eine Linie im
Spektrum beobachtet. Das gesamte, für das Molekül charakteristische Spektrum wird durch die Gesamtheit der
möglichen Zustände, die Anzahl der Moleküle in diesen Zuständen (eine Funktion der Temperatur), und durch Regeln
bestimmt, welche angeben, welche Übergänge zugelassen
sind und an das Strahlungsfeld koppeln. Grundsätzlich kann
man drei Arten der Anregung eines Moleküls unterscheiden.
Die elektronische Anregung ändert die Konfiguration der
Außenelektronen des Moleküls, die Vibrationsanregung ändert die Schwingungen der Atome des Moleküls relativ zueinander. Schließlich kann auch die Rotation des Moleküls
(oder von Teilen davon) durch Strahlungseinwirkung geändert werden.
|
tionsprofile der Spurengase gewonnen werden können. Bei
letzterem macht man sich zunutze, dass aufgrund des mit
der Höhe exponentiell abnehmenden Drucks die Strahlungsbeiträge aus unterschiedlichen Höhen in der Atmosphäre eine stark unterschiedliche Druckverbreiterung aufweisen. So resultiert die Emission von Strahlung einer Substanz im unteren Teil der Atmosphäre in einer sehr breiten
Linie, während die Emission eines Gases im oberen Teil der
Atmosphäre zu einer sehr schmalen Spektrallinie mit schar-
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I N F R A ROT- A B S O R P T I O N
Der Ultraviolette und sichtbare Spektralbereich
Im ultravioletten und sichtbaren Spektralbereich kann Absorption von Strahlung nur stattfinden, wenn elektronische
Molekülübergänge angeregt werden können. Da gleichzeitig noch Vibrations- und Rotationsanregung auftreten, sind
die Molekülspektren in diesem Bereich sehr komplex. In der
Tat bestehen sie in vielen Bereichen aus hunderten von
einander überlappenden Linien. Man spricht dann von nicht
auflösbaren „Bandenspektren“.
Der infrarote Spektralbereich
Der infrarote Spektralbereich bietet ebenfalls ein erhebliches Potential zur Fernerkundung der atmosphärischen chemischen Zusammensetzung. Im mittleren Infraroten werden Schwingungs- und Rotationsübergänge angeregt. Es
resultieren Schwingungs-Rotationsbanden, die umso komplexer ausfallen, je größer die Anzahl der atomaren Konstituenten im Molekül ist. Die Hauptbestandteile der Atmosphäre, N2 und O2, sind nicht infrarotaktiv und koppeln
daher nicht an das atmosphärische Strahlungsfeld. Andernfalls wäre die Atmosphäre im gesamten infraroten Spektralbereich vollkommen undurchsichtig. Viele Spurengase
aber, wie H2O, O3, CO2, CH4 , HNO3, oder N2O, sind strahlungsaktiv (Abbildung 6). Jene Gase, die sowohl strahlungsaktiv sind als auch ausreichend hohe Konzentrationen
besitzen, legen mit den Positionen ihrer Hauptbanden fest,
in welchen Fensterbereichen die Atmosphäre transparent
bleibt. Neben den genannten Spurengasen gibt es noch eine größere Zahl (ca. 30) von anderen Spurengasen, die
ebenfalls Absorptionssignaturen im IR aufweisen und deshalb mit der IR-Spektroskopie gemessen werden können.
Abb. 6 In Kiruna
(Schweden) gemessenes Absorptionsspektrum im
thermischen Infrarotbereich. Die
Banden einiger
starke Absorber
sind markiert.
ABB. 7
Der Mikrowellen- und Sub-MillimeterwellenBereich
Bei der Messung mit Mikrowellenradiometern werden Emissionslinien atmosphärischer Spurengase, die von thermisch
angeregten Rotationsübergängen der betreffenden Moleküle
herrühren, spektral so weit aufgelöst, dass anhand der
Druckverbreiterung der Spektrallinien vertikale KonzentraChem. Unserer Zeit, 2007, 41, 170 – 191
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EMISSIONSLINIEN-ENTSTEHUNG
Abb. 7 Zur Entstehung einer
Emissionslinie aus
Beiträgen verschiedener Höhen.
Ein höhenunabhängiges Mischungsverhältnis
(grün) ergibt eine
andere Linienform
als ein Mischungsverhältnis, das in
der Stratosphäre
maximale Werte
annimmt (rot).
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fer Spitze führt (Abbildung 7). Unterhalb von 10 km Höhe
wird die Linie allerdings so breit, dass sie sich nicht mehr
vom unterliegenden Kontinuum abhebt. Das Verfahren ist
deshalb auf die Messung von Spurengasen in der StratosABB. 8
|
D OA S …
phäre und in der Mesosphäre begrenzt, d.h. auf Höhen, in
denen die Druckverbreiterung der dominierende Mechanismus ist. Da Mikrowellenstrahlung Wolken nahezu ungehindert durchdringt, sind Messungen der Konstituenten mit
starken Emissionslinien wie Ozon auch bei teilweise bedecktem Himmel möglich.
Messanordnungen
Das Prinzip der Absorptionsspektroskopie wird in vielen
Varianten angewandt, die sich im Wesentlichen durch folgende Merkmale unterscheiden:
– Wellenlänge der sondierenden Strahlung (UV, sichtbar,
IR, Mikrowellen)
– Art der Lichtquelle (natürlich oder künstlich)
– Anordnung des Lichtweges (direkter Weg zwischen Lichtquelle und Empfänger bzw. Empfang von gestreutem
Licht)
– Art der Messung (mittlere Spurenstoffkonzentration oder
Länge des Lichtweges)
– Bauart des Empfangssystems und Auswertemethode
(Spektrometer oder Interferometer), DOAS – Auswertung
(s.u.).
Die Differentielle
optische Absorptionsspektroskopie (DOAS)
ABB. 9
|
… U N D E I N B E I S PI E L
Beispiel für die
DOAS-Datenanalyse. Die skalierten Absorptionsquerschnitte
(„Fingerabdrücke“) der unterschiedlichen
Spurengase sind in
schwarz, die gemessene spektrale
Signatur ist in rot
dargestellt
[37,38].
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Aktive Absorptionsspektrometer
Die „klassische“ Messanordnung eines Absorptions-Spektrometers für die Atmosphären-Sondierung besteht aus einer Strahlungsquelle (d.h. einem Scheinwerfer), die einen
kollimierten Strahl durch die Atmosphäre zu einem Spektrographen schickt, der mit einer passenden Empfangsoptik ausgerüstet ist. Als Lichtquellen sind in allen Spektralbereichen thermische Emitter im Gebrauch, im infraroten
Globare, im sichtbaren und ultravioletten Spektralbereich
werden Glühlampen und Bogenlampen verwendet, neuerdings gewinnen auch Lumineszenzdioden (LEDs) an Bedeutung [35]. Alternativ kann die optische Messstrecke
auch einfach gefaltet werden. Ein Reflektor schickt die
Strahlung zurück zur Lichtquelle, in deren Nähe der Empfänger angebracht ist. Damit sind alle aktiven Bauelemente
an einem Ende des Lichtweges zusammengefasst. VielfachReflexionssysteme (z.B. White System) dienen zur vielfachen (ggf. mehr als 100-fachen) Faltung des Lichtweges,
um die Messstrecke auf relativ kleinem Raum unterzubringen. Die Vorteile der aktiven Absorptionsspektroskopie sind
die einfache Bestimmung des Lichtweges und der relativ
große nutzbare Spektralbereich. Zur Aufzeichnung der
Spektren dienen im sichtbaren und ultravioletten Spektralbereich in aller Regel Gitterspektrometer; die Analyse erfolgt mittels der Differentiellen Optischen AbsorptionsSpektroskopie (DOAS, siehe unten). Im infraroten Spektralbereich dominieren Interferometer; die Spektren werden
durch Fourier-Tranformation aus den Interferogrammen gewonnen.
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SPURENSTOFFSONDIERUNG
Absorptionsspektroskopie von direktem SonnenMond- und Sternlicht
Die Spektroskopie von direktem Licht natürlicher, extraterrestrischer Lichtquellen hat ebenfalls eine lange Tradition. Messungen dieser Art erlauben die Bestimmung der Gesamt-Säulendichte atmosphärischer Spezies (z.B. von Ozon).
Der Aufbau der Geräte ist relativ einfach, allerdings ist direkte Sicht zu den Himmelskörpern notwendig, die nur zu
bestimmten Tageszeiten gegeben ist bzw. durch Bewölkung
blockiert werden kann. Ein weiterer Nachteil ist der eingeschränkte Spektralbereich: Zum Beispiel absorbiert die stratosphärische Ozonschicht im Wesentlichen alle UV-Anteile
unterhalb ca. 300 nm. Messungen mit Mond- bzw. Sternlicht, die allerdings in erhöhte Anforderungen an die Empfindlichkeit des Messsystems stellen, erlauben auch nächtliche Messungen.
UV/VIS-Absorptionsspektroskopie mit Streulicht
Die Spektroskopie von gestreutem Sonnenlicht ist eine etablierte Messmethode, mit der viele atmosphärische Spurenstoffe mit meist hoher Genauigkeit und Empfindlichkeit
bestimmt werden können [36]. Auf ihren Weg durch die
Erdatmosphäre wird elektromagnetische Strahlung durch
Spurengase absorbiert, die dem Sonnenspektrum charakteristische Absorptionsbanden aufprägen. In der Regel wird
die Differentielle Optische Absorptions-Spektroskopie (DOAS) zur Analyse der Spektren angewandt. Dabei wird das für
jedes Molekül spezifische Absorptionsmuster (vergleichbar
einem Fingerabdruck) genutzt, um Rückschlüsse auf dessen
Vorkommen zu ziehen (Abbildung 8). Hierbei ermöglicht
die spektrale Analyse des Streulichts die absolute Bestimmung der Menge von verschiedenen atmosphärischen Spurgasen wie Ozon, NO2, zahlreichen Halogenoxiden, Formaldehyd, Wasserdampf und vielen anderen Spurengasen,
indem man ihre einzelnen – unter Umständen auch überlagerten – spektralen Fingerabdrücke im Spektrum nachweist. Ein Beispiel für eine DOAS-Datenanalyse wird in Abbildung 9 gezeigt.
Horizontsondierung
Die Methode der Horizontsondierung wird heute häufig für
die Erfassung von Spurenstoffen eingesetzt, weil damit auch
Spurengase mit geringer Konzentration mit vergleichsweise guter vertikaler Auflösung gemessen werden können.
Die Blickrichtung des Messgeräts verläuft in diesem Fall tangential durch die Atmosphäre und erreicht im Tagentenpunkt den minimalen Abstand ht zur Erdoberfläche, sodass
nur Schichten oberhalb ht zum Messsignal beitragen. Durch
die Geometrie wird die Schicht direkt oberhalb ht stark gewichtet, wodurch die gute vertikale Auflösung bedingt ist.
Entsprechende Sensoren arbeiten im gesamten Wellenlängenbereich von Mikrowellen bis in den UV-Bereich.
AT M OS PH Ä R E N C H E M I E
gie zum bekannten RADAR (RAdiowave Detection and Ranging)-Verfahren geprägt. Das Messprinzip beruht auf der
Aussendung von kurzen, gebündelten Lichtpulsen, üblicherweise eines gepulsten Lasers, in die Atmosphäre (Abbildung 10). Aus der Analyse des zeitlichen Verlaufes der
rück-gestreuten Intensität kann auf die räumliche Verteilung von streuenden und absorbierenden Luftbeimengungen geschlossen werden. Systeme, die mit nur einer Wellenlänge arbeiten, werden zur Bestimmung der Aerosolverteilung vom Boden oder von Flugzeugen aus eingesetzt.
Die Bestimmung der Verteilung von Spurengasen ist ebenfalls möglich, wenn zwei oder mehr verschieden Wellenlängen verwendet werden. Bei dem „Differential Absorption LIDAR“ (DIAL) werden die Wellenlängen des Paares so
gewählt, dass eine Laserlinie vom Spurenstoff stark absorbiert wird, die andere schwach. Aus dem zeitlichen Verlauf
der Differenz der Echo-Signale wird dann die SpurenstoffVerteilung entlang des Laserstrahls berechnet.
Bodengebundene Instrumente
Der Einsatz spektroskopischer Verfahren vom Boden aus ist
in vielerlei Hinsicht attraktiv. Einerseits können Messungen
der Spurenstoffkonzentration in Bodennähe durchgeführt
werden. Hier haben spektroskopische Verfahren Vorteile
z.B. aufgrund ihrer inhärenten Eichung und der Möglichkeit,
„berührungslose“ Messungen durchzuführen. Andererseits
erlaubt gerade der Aspekt der Fernerkundung die Sondierung höherer Atmosphärenschichten vom Boden aus. Über
die Bestimmung der Gesamtsäulendichte hinaus können
mit modernen Verfahren durch Ausnutzung verschiedener
physikalischer Prinzipien (Druckverbreiterung von Absorptionslinien, Streuung in der Atmosphäre, Laufzeit der
Strahlung) mittlerweile Vertikalverteilungen von Spurengasen in recht hoher Auflösung bestimmt werden.
Multi-Axis Differentielle Absorptions-Spektroskopie (MAX-DOAS)
Die Multi-Axis (MAX-) DOAS-Methode ist eine neue Variante
der DOAS – Technik, die in den letzten Jahren wachsende
Anwendungsmöglichkeiten gefunden hat. MAX-DOAS Instrumente sind mit einer Optik ausgestattet, mit dem man
unter beliebigen Elevationswinkeln (Winkel zwischen Horizont und Blickrichtung, Abbildung 11) zum Himmel sehen
ABB. 10
LIght Detection and Ranging (LIDAR) Instrumente
Die Bezeichnung „LIght Detection and Ranging“ (etwa:
Licht-Nachweis und Entfernungsmessung) wurde in AnaloChem. Unserer Zeit, 2007, 41, 170 – 191
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L I DA R- M E S S U N G
Schema einer
„LIght Detection
and Ranging
(LIDAR)“Messung.
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| 179
kann. Dies kann mit einem beweglichen Teleskop, das nacheinander Licht verschiedener Richtungen sammelt oder mit
einer Vielzahl von Teleskopen geschehen, die gleichzeitig
Strahlung aus verschiedenen Einfallsrichtungen zum Spektrometer führen. Da der Lichtweg durch die untere Atmosphäre sehr lang wird, wenn man nahe am Horizont Beobachtungen durchführt, sind MAX-DOAS-Geräte sehr empfindlich für die Spurengase, die in der unteren Troposphäre liegen. Durch sequentielle Messungen mit unterschiedlichen Elevationswinkeln kann man mit Hilfe des
MAX-DOAS-Gerätes auf vertikale Spurengasverteilungen und
– damit verbunden – Aerosolverteilungen schließen.
Bei Messungen von Streulicht ist der Weg, den das Licht
durch die Atmosphäre genommen hat, a priori nicht bekannt und kann durch Aerosolpartikel sowohl erheblich
verlängert als auch verkürzt worden sein. Dadurch erscheint
auf den ersten Blick eine verlässliche Aussage über die Konzentration eines Spurengases nicht möglich. Allerdings kann
mit Hilfe von Strahlungstransportrechnungen der wahrscheinlichste Weg durch die Atmosphäre berechnet und
aufgrund der MAX-DOAS-Geometrieeigenschaften die vertikale Spurengasverteilung abgeschätzt werden. Dadurch
werden dann eindeutige Konzentrationsmessungen möglich. Darüber hinaus erhält man auch Angaben über die
Höhe der Mischungsschicht [37-39].
Bodengebundene IR-Spektroskopie
Die bodengebundenen Spektrometer nutzen meist die
heiße Sonne als breitbandige Hintergrundquelle; die in den
atmosphärischen Fenstern empfangene Strahlung wird mit
hoher spektraler Auflösung analysiert. Anhand der Stärke
der charakteristischen Absorptionsbanden lässt sich die
Konzentration vieler (etwa 40) verschiedener Spezies erfassen. Letztendlich beruht die Messung der Gase auf einem Vergleich mit Labormessungen der Absorptionswirkung bei bekannter Gaskonzentration, die in Datenbanken
wie HITRAN zusammengestellt sind. Die bodengebundene
ABB. 11
|
E L E VAT I O N S W I N K E L
Messung liefert somit primär Gesamtsäulen der Spurengase; außerdem können aus Details der beobachteten Spektralverteilung (Druckverbreiterung von Spektrallinien und
Abhängigkeit der Banden von der Temperatur) gewisse
Rückschlüsse auf das Konzentrationsprofil als Funktion der
Höhe gezogen werden. Daneben gibt es wenige bodengebundene Infrarot-Spektrometer, die die von der Atmosphäre emittierte Strahlung messen. In diesem Fall wird der erfassbare Höhenbereich durch die nach oben abnehmende
Temperatur auf die untersten 3 bis 4 km beschränkt. Global gibt es etwa 15 Stationen, die mit hochauflösenden Infrarotspektrometern ausgerüstet sind und die Atmosphäre
kontinuierlich beobachten.
Sie sind Bestandteil des NDACC-Netzes (Network for
the Detection of Atmospheric Composition Change:
www.ndacc.org/). Die längsten Messreihen reichen zurück
bis in die Mitte der 70er Jahre. Die lange Überdeckung ermöglicht Trendbestimmungen (etwa von Chlorverbindungen im Zusammenhang mit Untersuchungen des Ozonlochs
oder klimarelevanter Gase wie Methan) und die Validierung
weltraumgestützter Experimente, die meist nur einige Jahre aktiv sind.
Mikrowellen – Fernerkundung vom Boden aus
Bodengebundene Messungen werden typischerweise im
Frequenzbereich von ca. 20 GHz bis 300 GHz durchgeführt.
Oberhalb dieses Frequenzbereichs wird die Absorption der
interessierenden Strahlung aus der Stratosphäre durch den
troposphärischen Wasserdampf zu stark, um am Boden
noch eine ausreichende Signalstärke zu messen. Unterhalb
von 20 GHz finden sich kaum noch Spektrallinien in geeigneter Stärke zur Fernerkundung der Atmosphäre mit Mikrowellenradiometern. Hauptsächlich werden vom Boden
aus Wasserdampf und Ozon gemessen, daneben aber auch
Konstituenten mit schwächeren Signaturen wie N2O, HNO3
oder ClO.
Für die Auswertung der gemessenen Spektren wird der
Strahlungstransport in der Atmosphäre unter Vorgabe von
vertikalen Druck-, Temperatur- und Spurengasprofilen modelliert. Zur Bestimmung des vertikalen Konzentrationsprofils stehen erprobte Inversionsmethoden zur Verfügung,
die auch eine Berücksichtigung der verschiedenen Fehlerquellen erlauben.
Flugzeugestützte Fernerkundungsmessungen
Geometrie des
MAX-DOASInstruments.
α bezeichnet den
Elevationswinkel.
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Airborne Multi-Axis -DOAS (AMAX-DOAS)
Analog zu der bodengebundenen Multi-Axis (MAX-) DOASMethode sind auch Flugzeug-getragene Messungen möglich. Airborne MAX-DOAS-Instrumente (AMAX-DOAS) sind
normalerweise mit einer Vielzahl von Teleskopen ausgerüstet, die gleichzeitig Strahlung aus verschiedenen Einfallsrichtungen zum Spektrometer führen. Damit wird gegenüber sequentiell arbeitenden MAX-DOAS-Geräten, die überwiegend vom Boden aus eingesetzt werden, eine kürzere
Messzeit erreicht, die sich in einer besseren räumlichen Auflösung niederschlägt. MAX-DOAS-Instrumente sind sehr
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SPURENSTOFFSONDIERUNG
empfindlich für die Spurengase, die sich in der Nähe des
Flugzeuges befinden. Das Beispiel in Abbildung 12 zeigt
AMAX-DOAS-Messungen der vertikalen NO2 – Verteilung
entlang der Flugstrecke von Basel (Schweiz) nach Tozeur
(Tunesien) am 19. Februar 2003 [40-42].
Flugzeuggestützte IR Fernerkundung
Infrarot-Spektrometer sind bereits vielfach in Flugzeugen
eingesetzt worden, da durch diesen Träger die Nutzung sehr
flexibel ist. Spurengasmessungen können damit weltweit
und großräumig flächendeckend durchgeführt werden. Allerdings ergibt sich aus der hohen Geschwindigkeit der
Flugzeuge eine Beschränkung bei der spektralen Auflösung,
wodurch die Anzahl der erfassbaren Spurengase und die
vertikale Auflösung oberhalb des Flugzeugs reduziert werden. Weltweit sind einige Infrarot-Spektrometer auf Flugzeugen im Einsatz; gemessen wird sowohl die durch die Atmosphäre geschwächte als auch die emittierte Strahlung.
Die qualitativ hochwertigen Ergebnisse werden auch zur
Validierung von Satellitenmessungen herangezogen. Beispielhaft sei das MIPAS (Michelson Interferometer für Passive Atmosphärische Sondierung)-STR Experiment genannt,
bei dem es sich um ein gekühltes Fourierspektrometer auf
ABB. 12
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AT M OS PH Ä R E N C H E M I E
der hochfliegenden Geophysica handelt. MIPAS-STR wurde
bereits mehrfach auf Messkampagnen in tropischen, mittleren und hohen geografischen Breiten mit unterschiedlichen wissenschaftlichen Zielen eingesetzt, wobei die Temperatur und die Spurengase O3, H2O, HNO3, ClONO2,
FCKW 11 und FCKW 12 in einem Höhenbereich von der
oberen Tropopause bis etwa 20 km detektiert und ausgewertet worden sind. Erst kürzlich wurde nachgewiesen,
dass MIPAS-STR in der Lage ist, PAN-Profile mit Volumenmischverhältnissen von etwa 0,1 ppbv im Höhenbereich
von 8 bis 19 km in den Tropen zu messen (Abbildung 13)
[43]. PAN spielt u. a. eine Rolle beim Photosmog und entsteht bei Biomassenbränden.
Flugzeuggestützte Mikrowellen-Fernerkundung
Für den Einsatz auf Flugzeugen können verschiedene Beobachtungsgeometrien verwendet werden. Eine Blickrichtung nach oben zur Erforschung der über dem Flugzeug
liegenden Atmosphärenschichten erlaubt die Bestimmung
der vertikalen Verteilung eines Spurenstoffs oberhalb der
Flughöhe. Eine Blickrichtung nach unten dient meist der
Untersuchung der Troposphäre, hier erlauben die doch relativ langen Wellenlängen (cm bis einige mm) eine Beob-
N O 2 -V E R T E I LU N G
AMAX-DOASMessungen der
räumlichen NO2 Verteilung entlang einer Flugstrecke von Basel
(Schweiz) nach
Tozeur (Tunesien)
am 19. Februar
2003 [41].
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achtung auch in Gegenwart von Wassertröpfchen in Wolken oder Niederschlag, die je nach Art, Größe und Dichte
als mehr oder weniger durchsichtige Schicht erscheinen.
Für spezielle Anwendungen wird die Horizontsondierung
eingesetzt. Das in Bremen entwickelte Mikrowellenradiometer ASUR (Airborne SUbmillimeter Radiometer) eignet
sich für die Untersuchung des stratosphärischen Ozonabbaus durch Chlor besonders gut, da es nicht nur eine genaue Messung des Ozonprofils erlaubt, sondern es können
auch die Schlüsselsubstanzen ClO (Chlormonoxid) und HCl
(Salzsäure) für die Untersuchung der Chemie des Ozonabbaus mit sehr guter Genauigkeit bestimmt werden. Ein Resultat des Polar Aura Validation Experiments (PAVE), einer
von der NASA unterstützten großen Kampagne über Nordamerika Ende Januar bis Anfang Februar 2005 zeigt die
Abbildung 14 Daten von ASUR an Bord der DC-8 dienten
zur Darstellung der Breitenabhängigkeit von stratosphärischem Ozon, HCl und ClO in Form von zweidimensionalen,
vertikalen Schnitten durch die Atmosphäre. Eine Ausdünnung der Ozonschicht in 20 bis 25 km Höhe parallel zu einer Zunahme von ClO und einer entsprechenden Abnahme
von HCl in hohen Breiten innerhalb des Polarwirbels ist
klar erkennbar. Das bedeutet, dass Chlor, welches zuerst in
der für Ozon unschädlichen Form HCl gespeichert ist, freigesetzt wird und Ozon abbaut.
Ballongestützte Fernerkundung
Die in den vorangehenden Abschnitten beschriebenen Verfahren lassen sich auch auf Höhenforschungsballonen einsetzen. Ein besonderer Vorteil des Einsatzes von ballongetragenen Instrumenten in der Fernerkundung besteht in
dem Potential einer guten Höhen- und Zeitauflösung bei einer gleichzeitig hohen Messgenauigkeit der zu untersuchenden atmosphärischen Parameter. So erreichen Höhenforschungsballone bei einer Tragkraft von bis zu 2 Tonnen
heute Gipfelhöhen von maximal 43 km bei einer Messdau-
ABB. 13
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PE ROX YAC E T Y L N I T R AT ( PA N )
Vertikalprofil von
PAN, abgeleitet
aus MIPAS-STR
Messungen über
Südamerika am
17. Februar 2005
(Koordinaten
22,0° S; 47,7° W).
182
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er von einigen Stunden bis einige Wochen. Diese Flugeigenschaften ermöglichen u.a. sehr lange atmosphärische
Lichtwege von bis zu 1200 km, die der hochgenaue Nachweis von atmosphärischen Spurenstoffen mit sehr kleinen
Konzentrationen von ca. 104 – 106 cm–3 wie z.B. der ozonschädlichen Radikale OH, BrO, ClO, IO, NO und NO2 erfordert. Außerdem kann durch die gute zeitliche Auflösung
auch der Tagesgang von reaktiven Spurengasen gemessen
werden.
In der ballongestützten atmosphärischen Fernerkundung kommen heute sowohl Verfahren der Absorptionswie auch der Emissionsspektroskopie zum Einsatz, wobei
bei ersterem ultraviolettes, sichtbares und nahes infrarotes
Licht spektroskopiert wird, das von Sternen, der Sonne und
dem Mond emittiert bzw. von der Atmosphäre gestreut
wird, während im zweiten Verfahren die Eigenemission der
Atmosphäre im mittleren und fernen infraroten Spektralintervall ausgenützt wird. So illustriert Abbildung 15 die ballongetragene Messung des ozonschädlichen Bromoxidradikals (BrO) mit Hilfe der Sonnenokkultations-Spektroskopie
im UV (330 – 360 nm). Der Vergleich der gemessenen und
modellierten BrO-Absorption liefert wichtige Aussagen über
die Chemie und das Budget stratosphärischen Broms [44].
Satellitenbeobachtung
Möglichkeiten und Grenzen der Satellitenfernerkundung
Die Fernerkundung der Erdatmosphäre vom Satelliten bietet eine völlig neue Informationsqualität. Neben dem fundamentalen Perspektivwechsel, durch den man den eigenen
Lebensraum erstmals von außen ‚beobachten’ kann, bietet
die Satellitenfernerkundung gegenüber herkömmlichen Methoden auch viele praktische Vorteile. Der wesentliche
Aspekt ist die Verfügbarkeit von Information über räumliche Verteilungen auf globaler Skala. Anhand der gewonnenen „Weltkarten“ verschiedener Spurenstoffe lassen sich
z. B. deren Emissionsquellen und atmosphärische Transformationsprozesse identifizieren und untersuchen. Aus Bildfolgen über verschiedene Zeiträume lassen sich zudem Information über globale Transportwege gewinnen. Eine unabhängige Kontrollmöglichkeit aus dem All könnte in Zukunft eine wichtige Rolle für die Überwachung internationaler Vereinbarungen (z.B. für das Kyoto-Protokoll) spielen.
Eine besondere Herausforderung, aber auch Quelle neuartiger Erkenntnis, stellt zudem der Vergleich von Satellitendaten mit Modellergebnissen dar. Hierdurch eröffnet sich
die Möglichkeit, unser aktuelles Wissen über das System
Erde einem umfassenden globalen Test zu unterziehen.
Neben diesen Vorteilen unterliegen satellitengebundene Fernerkundungsmethoden auch prinzipiellen Einschränkungen. So stellen sie wegen ihrer Ferne zum beobachteten Objekt die extremste Form der atmosphärischen
Fernerkundung dar. Konkret bedeutet dies, dass die beobachteten Volumina typischerweise sehr groß sind (Dimensionen bis zu mehreren hundert Kilometern). So repräsentieren die gemessenen Spektren nur Mittelwerte für Ge-
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SPURENSTOFFSONDIERUNG
biete, innerhalb derer die beobachteten Spurenstoffe auch
starke Variationen aufweisen können. Eine limitierte räumliche Auflösung sollte indessen nicht nur als Nachteil gesehen werden. So sind durch die integrative Natur von Satellitenbeobachtungen die Messergebnisse oft repräsentativer für
den Zustand der Atmosphäre als lokale in-situ-Messungen.
Eine weitere Einschränkung besteht in der niedrigen
Abtastrate. Diese ist charakteristisch für Satelliten auf polaren Umlaufbahnen mit dem Ziel einer globalen Überdeckung. Trotz der insgesamt sehr großen Zahl von Einzel-
ABB. 14
ABB. 15
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O 3, H C l , C l O
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BrO
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AT M OS PH Ä R E N C H E M I E
messungen wird der gleiche Ort nur mit großen zeitlichen
Abständen (z.B. nur einmal pro Tag) oder auch nur für bestimmte Bedingungen (z.B. nur tagsüber) beobachtet. Darüber hinaus sind Satellitenbeobachtungen auch durch ihre
geringe Messempfindlichkeit eingeschränkt. Diese ist speziell durch die begrenzte Transparenz der Atmosphäre in
vielen Spektralbereichen limitiert.
Ähnlich wie für astronomische Beobachtungen vom Erdboden aus müssen auch für Satellitenmessungen die spektralen Fenster, speziell im UV/sichtbaren und Mikrowellen-
Messungen von
Ozon und den
Schlüsselsubstanzen HCl und ClO
(Chlormonoxid)
mit Hilfe des ASUR
während der PAVE-Kampagne
über dem nordamerikanischen
Kontinent und der
Arktis. Die Farbskalen stellen die
Menge eines Stoffes in Einheiten
von 10-9 Volumenanteilen (ppb)
dar. Die Sterne am
oberen Rand jedes
Bildes sind die
Stellen, an denen
die einzelnen
Profile gemessen
wurden.
Modelliertes Feld
der stratosphärischen Bromoxidkonzentration als
Funktion des Sonnenzenitwinkels
und der Höhe bzw.
des atmosphärischen Drucks (in
Pink hinterlegt).
Darüber gezeichnet sind zum einen
die Flugtrajektorie
des Messinstrumentes (dicke
schwarze Linie)
sowie der Lichtstrahl für jede
zehnte Beobachtung des Sonnenlichtes.
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bereich genutzt werden. Für andere Spektralbereiche sind
meist nur Beobachtungen der oberen Troposphäre oder
Stratosphäre möglich. Aber auch im UV/sichtbaren Spektralbereich ist die Empfindlichkeit für bodennahe Spurenstoffe durch atmosphärische Streuung stark eingeschränkt.
Im Extremfall macht dichte Bewölkung die Beobachtung
bodennaher Spurenstoffe völlig unmöglich.
Historischer und methodischer Überblick
Am Beginn der satellitengestützten Spurenstoff-Fernerkundung stand die Überwachung der stratosphärischen Ozonschicht im Vordergrund des Interesses. Bereits 1978 gelang
mit den TOMS Geräten (Total Ozone Mapping Spectrometer) der Durchbruch zur Erstellung einer kontinuierlichen
globalen Ozon-Messreihe, die mit Nachfolgegeräten bis heute fortgesetzt wird. TOMS-Geräte messen das von der Erde
reflektierte Sonnenlicht in ausgewählten Spektralbereichen
TA B . 2
|
im UV, die entweder innerhalb oder außerhalb von Ozonabsorptionsbanden liegen. Speziell für die Erkundung der
Stratosphäre eignen sich die Limb- und Okkultations-Messgeometrie. Dabei wird in sehr flachem Winkel entweder die
von der Atmosphäre gestreute bzw. emittierte oder das von
der Atmosphäre abgeschwächte direkte Sonnenlicht (auch
Mond- und Sternenlicht) gemessen. Kennzeichnend für diese Messgeometrien ist, dass die Wege der Strahlung durch
die Atmosphäre sehr lang sind, was zu einer sehr hohen
Empfindlichkeit führt. Zur Erzielung einer hohen horizontalen Auflösung werden Satelliteninstrumente in der NadirMessgeometrie betrieben. Dabei wird die senkrecht von
unten kommende Strahlung detektiert. Solche Instrumente
wurden in den spektralen Fenstern im UV- und sichtbaren
Spektralbereich sowie im Mikrowellenbereich schon sehr
früh für die Erkundung von Bodeneigenschaften eingesetzt.
Durch Messungen im roten und nahen IR-Spektralbereich
E I N I G E W I C H T I G E SAT E L L I T E N I N S T R U M E N T E F Ü R AT M OS PH Ä R I S C H E S P U R E N S TO F F M E S S U N G E N
Instrument
Satellit
Start
1978
Spektralbereich
M
Kanäle oder
Spektren
Kanäle
Spektrale
Auflösung
?
SSMR, SSMI
HIRS
MSU
SBUV
TOMS
SAGE
Nimbus-7,
DOD/DMSP
satellites
TIROS-N
TIROS-N
Nimbus-7
Nimbus-7
AEM-B satellite
ATMOS
MLS
HALOE
1978
1978
1978
1978
1979
TIR
M
UV
UV
Vis/NIR
Kanäle
Kanäle
Kanäle
Kanäle
Kanäle
∼ 0.2 μm
?
∼ 1 nm
∼ 1 nm
2-20 nm
N
N
N
N
O
Space shuttle
UARS
UARS
5 x seit 1985
1991
1991
TIR
Mikrowelle
TIR
∼ 0,2 nm
∼ 500 MHz
?
O
L
O
CLAES
POAM-II
UARS
SPOT-3
1991
1993
TIR
Vis/NIR
Spektrum
Kanäle
Kanäle und GasFilter Korrelation
Kanäle
Kanäle
∼ 1 nm
2-10 nm
O
CRISTA
GOME
IMG
Space shuttle
ERS-2
ADEOS
1994, 1997
1995
1996
TIR
UV/vis
TIR
Spektrum
Spektrum
Spektrum
∼ 8 nm
0,.2 nm
∼ 0.1nm
L
N
N
ILAS
MOPITT
ADEOS
Terra
1996
1999
Vis/NIR
TIR, NIR
0,1 nm /0.1 μm
O
N
SCIAMACHY
MIPAS
GOMOS
OMI
EOS-MLS
TES
GOME-2
IASI
ENVISAT
ENVISAT
ENVISAT
Aura
Aura
Aura
METOP
METOP
2002
2002
2002
2004
2004
2004
2006
2006
UV/vis/NIR
TIR
UV/vis/NIR
UV/vis
Mikrowelle
TIR
UV/vis
TIR
Spektrum
Gas-Filter
Korrelation
Spektrum
Spektrum
Spektrum
Spektrum
Kanäle
Spektrum
Spektrum
Spektrum
SP vieler Spurenstoffe
SP von Aerosol Extinktion,
Temperatur, Ozon, H2O und
NO2
SP vieler Spurenstoffe
GS, TS vieler Spurenstoffe
TP von Temperatur, CO2, H2O,
Ozon, CH4, N2O,CO
SP vieler Spurenstoffe
Troposphärisches CO-Profil
0,2 nm – 1nm
0.05nm
0.14-0.9nm
∼ 0.5nm
N/L/O
L
O (Stern)
N
L
N
N
N
SP, GS, TS vieler Spurenstoffe
SP vieler Spurenstoffe
SP vieler Spurenstoffe
GS vieler Spurenstoffe
SP vieler Spurenstoffe
SP und TP vieler Spurenstoffe
GS vieler Spurenstoffe
SP und TP vieler Spurenstoffe
0.06 cm-1
0.2nm
0.5 cm-1
Beobachtungsgeometrie
N
Produkte
H2O TS, Regen, Eisbedeckung
H2O TP, Temperatur
Temperatur
Ozon SP
Ozon GS
SP von Aerosol Extinktion,
Ozon, H2O und NO2
SP vieler Spurenstoffe
SP vieler Spurenstoffe
SP vieler Spurenstoffe
Wellenlängenbereiche: M: Mikrowellen, TIR: thermisches Infrarot, NIR: Nahes Infrarot, Vis: sichtbarer Spektralbereich, UV: Ultravioletter Spektralbereich.
Spurenstoffprodukte: SP: Stratosphärische Profile, GS: Gesamtsäulendichte, TP: Troposphärische Profile (oftmals nur sehr geringe vertikale Auflösung), TS: Troposphärische
Säulendichte. Beobachtungsgeometrie: N: Nadir, L: Limb, O: Okkultation
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SPURENSTOFFSONDIERUNG
kann z.B. die Aktivität der Vegetation auf den Kontinenten
und im Meer bestimmt werden. Im Mikrowellenbereich
können aus der gemessenen Strahlungsintensität Rückschlüsse auf die Emissivität der Erdoberfläche und daraus
auf die stoffliche Zusammensetzung gezogen werden. Dies
erlaubt z.B. die Erkundung der zeitlichen Entwicklung der
Meereisbedeckung in beiden Polarregionen. Zusätzlich können aus der Extinktion der vom Boden emittierten Strahlung
auf dem Weg durch die Atmosphäre auch die Stärke von Regen und der Gehalt an Wasserdampf bestimmt werden. Ein
besonderer Vorteil dieser Methode ist, dass Wolken für Mikrowellenstrahlung nahezu durchsichtig sind.
Ein wesentliches Merkmal der frühen Satelliteninstrumente war, dass die spektrale Information nur in wenigen,
getrennten Spektralintervallen, sog. ‚Kanälen’ gewonnen
wurde. Hierbei wurden wichtige Spektralbereiche (z.B. Absorptionsbanden) grob abgetastet, aber keine zusammenhängenden Spektren gemessen. Zudem waren die gewählten Spektralintervalle oft recht breit, und interferierende
Beiträge konnten nur schlecht oder überhaupt nicht getrennt werden.
Einen wesentlichen Fortschritt in der Satelliteninstrumentierung brachte daher der Bau von Instrumenten zur
Messung von kontinuierlichen Spektren. Erste Versuche
wurden schon in den 1970er Jahren mit den SBUV-Instrumenten im UV-Spektralbereich und in den 1980er Jahren
mit dem ATMOS-Instrument (seit 1985 fünfmal auf dem Space-Shuttle eingesetzt) im IR Spektralbereich gemacht. Ab
Mitte der 1990er Jahre gelang dann der Durchbruch dieses
Gerätekonzepts (siehe Tabelle). Mit diesen neuen Instrumenten war es möglich, die spektrale Signatur einer Vielzahl von Spurenstoffen nachzuweisen. Insbesondere gelang
es erstmals, aus Nadir-Messungen im UV, sichtbaren und nahen IR-Spektralbereich die globale bodennahe Verteilung
von Spurenstoffen wie NO2, SO2, HCHO, CH4, CO, etc. zu
bestimmen, die für die Luftqualität und das Klima von
großer Bedeutung sind.
Zukünftige Instrumente sollen insbesondere in geostationären Positionen betrieben werden. Dadurch ließe sich
zum einen die räumliche Auflösung, insbesondere aber
auch die zeitliche Abtastrate erheblich verbessern. Dies
würde vor allem die Untersuchung räumlich und zeitlich
stark variierende Spurenstoffverteilungen wie z.B. lokale
und regionale Luftverschmutzung deutlich verbessern. Eine aktuelle Weiterentwicklung der Satellitenfernerkundung
betrifft die Verwendung von aktiven Systemen. Während
diese im Mikrowellenbereich als Radar-Instrumente schon
lange erfolgreich angewandt werden, ist mit CALIOP auf
CALIPSO im Jahr 2006 das erste aktive Instrument im sichtbaren Spektralbereich in Betrieb genommen worden. Mithilfe der LIDAR-Methode können damit erstmals Höhenprofile von Wolken und Aerosolen mit einer Höhenauflösung von <100 m aus dem All aufgenommen werden. Eine
Übersicht über wichtige Satelliteninstrumente für atmosphärische Spurenstoffmessungen ist in Tabelle 2 gezeigt.
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AT M OS PH Ä R E N C H E M I E
Anwendungsbeispiele
Aus der Fülle der Möglichkeiten werden im Folgenden drei
Instrumente und einige Beispiele für Ergebnisse herausgegriffen, die schwerpunktmäßig in Deutschland entwickelt
und ausgewertet wurden. Dies sind das MIPAS-Instrument
auf ENVISAT, das CRISTA-Experiment, das vom Spaceshuttle aus gestartet wurde, und SCIAMACHY auf ENVISAT mit
seinem Vorläufermodell GOME auf ERS-2.
MIPAS
Das Michelson-Interferometer für Passive Atmosphärische
Sondierung (MIPAS) ist ein Fourier-Transformations-Spektrometer, das nach dem Michelson-Prinzip im mittleren Infrarot arbeitet. Die atmosphärische Infrarotstrahlung, die in
einer Blickrichtung tangential durch die Atmosphäre hindurch mit dem kalten Weltraum als Hintergrund gemessen
wird, wird durch eine Eingangsoptik auf einen Strahlteiler
geleitet. Zwei auf Schlitten bewegliche Spiegelecken erzeugen einen Gangunterschied von maximal 20 cm zwischen den interferierenden Teilstrahlen, was einer nominalen spektralen Auflösung von 0,025 cm–1 entspricht. Das
Interferenzsignal wird mit mehreren Detektoren in 5 spektralen Kanälen gemessen und anschließend zu Strahldichtespektren verarbeitet. MIPAS wurde im März 2002 auf ENVISAT in eine polare sonnensynchrone Umlaufbahn gebracht.
Da alle in der Atmosphäre vorkommenden Moleküle mit
einem permanenten elektrischen Dipolmoment ein Vibrations-Rotationsspektrum emittieren, finden sich in den von
MIPAS aufgezeichneten Spektren die Signaturen einer Vielzahl von atmosphärischen Spurengasen. Der Spektralbereich von ca. 14,6 μm bis ca. 4,15 μm (685 bis 2410 cm–1)
ABB. 16
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ClONO2
MIPAS-Messungen
eines Chlornitrat
(ClONO2)-Kragens
im Randbereich
des antarktischen
Polarwirbels. In
diesem Bereich
mischen sich NOxarme, aber ClOreiche Luftmassen
des Polarwirbels
mit NOx-reicher
Luft von außerhalb des Wirbels,
was zur Bildung
von ClONO2 führt
[45].
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CRISTA im Trägersystem ASTROSPAS (Shuttle
Pallet Satellite).
Messungen wurden während 10tägiger Freiflugphasen in einem
Abstand von ca.
50 km hinter dem
Shuttle durchgeführt [46,47].
ist so gewählt, dass die Signaturen der wichtigsten atmosphärischen Spurengase enthalten sind, und die thermische
Emission noch stark genug ist, um ein gutes Signal-zuRausch-Verhältnis zu gewährleisten. Der Standard-Beobachtungsmodus umfasst den Höhenbereich von 5 bis 70 km
in 17 Höhenstufen. Das Gesichtsfeld deckt dabei ca. 3 km
in der Höhe und ca. 30 km quer zur Flugbahn des Satelliten ab. Die Aufnahme eines einzelnen Interferogramms dauert ca. 4 s; ein Profil mit ca. 59600 spektralen Stützstellen
pro Höhenstufe wird in ca. 90 sec aufgezeichnet. In dieser
Zeit bewegt sich ENVISAT ca. 500 km weiter, so dass längs
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DA S PR I N Z I P VO N C H R I S TA
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N 2O - M E S S U N G
Mit CRISTA gemessene N2O-Verteilung (10. und 13. August) in 30 km Höhe (10 hPa).
Die Daten sind in einer südpolaren Projektion dargestellt. Weiße Flächen kennzeichnen Messlücken.
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des Orbits alle 500 km ein Strahldichteprofil gemessen wird
(insgesamt ca. 1000 Profile pro Tag).
Die Ableitung von Spurengasen aus den Strahldichteprofilen erfolgt durch Standardverfahren der Inversionstheorie, indem an die gemessenen Spektren simulierte Spektren mit einem nicht-linearen Verfahren der kleinsten Fehlerquadrate angepasst wird. Die Strahlungstransportrechnung durch die Atmosphäre ist aufwendig, da wegen der
sehr guten spektralen Auflösung von MIPAS die einzelnen
Vibrations-Rotationsübergänge aller beteiligten Moleküle simuliert werden müssen. Basis dafür sind Datenbanken der
im Labor vermessenen bzw. berechneten Vibrations-Rotationsübergänge mit deren Position, Intensität, Temperaturund Druckabhängigkeit .
Bisher wurden aus MIPAS-Daten globale Verteilungen
von einer Vielzahl von atmosphärischen Spurengasen abgeleitet. Besonders wichtig für das Verständnis der stratosphärischen Chemie sind neben Ozon Spurengase der Stickstoff-Familie (NO, NO2, HNO3, N2O5, HO2NO2, ClONO2,
PAN), der Wasserstoff-Familie (H2O, H2O2, HO2) und der
Chlor-Familie (ClONO2, HOCl, ClO), die zur Aufklärung der
katalytischen Ozonzerstörungszyklen (NOx-, ClOx- und
HOx-Zyklus) im arktischen und antarktischen Ozonabbau
herangezogen werden (Abbildung 16). Eine wesentliche
Rolle beim polaren Ozonabbau spielen auch Polare Stratosphärische Wolken (PSCs), an denen durch heterogene
Prozesse an Teilchenoberflächen chemisch wenig aktive
Chlorverbindungen (z.B. ClONO2) in chemisch reaktive Verbindungen gewandelt werden, die dann den katalytischen
Ozonabbau in Gang setzen. Es ist mit Hilfe von MIPAS gelungen, die chemische Zusammensetzung dieser PSC zu bestimmen und die Bildungsmechanismen einer bestimmen
Art, der NAT (Nitric Acid Trihydrate) PSC, in einem antarktischen Winter aufzuklären [45].
Wasserdampf in der Atmosphäre ist eines der für die
zukünftige Klimaentwicklung wichtigsten Spurengase. Mit
MIPAS kann die Wasserdampfverteilung im gesamten
Höhenbereich von ca. 5 km bis 70 km gemessen werden.
Es wurde bisher untersucht, durch welche Transport- und
mikrophysikalischen Prozesse der Wasserdampf aus der Troposphäre in die Stratosphäre gelangt. Die Detailuntersuchung des Wasserdampftransportes in die Stratosphäre wird
dadurch unterstützt, dass MIPAS auch die Beobachtung von
Wasserdampf-Isotopologen, besonders HDO, möglich
macht. Da jeder Prozess wie Kondensieren, Ausfrieren etc.
einen „Fingerabdruck“ in der Isotopolog-Abreicherung von
Wasserdampf hinterlässt, sind die Untersuchungen der Wasserdampf-Isotopologe besonders geeignet, ein Detailverständnis des Wasserdampftransports durch die Tropopausenregion zu erlangen.
Schadstoffe in der Atmosphäre, die von Bodennähe in
die obere Troposphäre transportiert werden, führen dort
zur Bildung von Ozon. Mit MIPAS wurde die globale Ozonverteilung in dieser Höhenregion vermessen und mit Schadstoffwolken aus Biomasse-Bränden und industriellen Abgasen in Verbindung gebracht. Im Herbst 2003 wurde eine
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Wolke von Luftschadstoffen beobachtet, die sich von Südamerika über den Atlantischen Ozean und Südafrika bis nach
Australien erstreckte. Die Zusammensetzung (Ozon, Ethan,
Ethen, PAN, HNO3, etc.) deutet auf Biomasse-Brände als Ursprung hin.
CRISTA
Zum globalen Studium wichtiger dynamischer und photochemischer Prozesse im Höhenbereich der Stratosphäre
sind satellitengestützte Fernerkundungsmessungen mit guter vertikaler Auflösung unverzichtbar. Das in Wuppertal entwickelte CRISTA-Instrument (Cryogene Infrarot Spektrometer und Teleskope für die Atmosphäre) hat im Rahmen
von zwei Space-Shuttle-Missionen der NASA (1994, 1997)
solche Messungen mit bisher unerreichter dreidimensionale Auflösung aus einer erdnahen Umlaufbahn durchgeführt
[46,47].
CRISTA benutzt ähnlich wie MIPAS die Messtechnik der
Horizontsondierung zum Nachweis atmosphärischer Spurengase, Aerosole und Wolken über deren Infrarotemissionen. Der Vorteil von Emissionsmessungen besteht in der Unabhängigkeit von äußeren Strahlungsquellen (z. B. Sonne,
Mond), d. h. Beobachtungen sind zu jeder Tageszeit möglich. Einige der von CRISTA gemessenen Spurengase (z. B.
CFC-11, CFC-12, N2O, CH4) besitzen in der Stratosphäre eine relativ lange photochemische Lebenszeit und eignen sich
somit als Indikatoren für dynamische Prozesse und Spurengastransporte. Abbildung 18 veranschaulicht dies anhand von N2O-Konzentrationen, die am 10. und 13. August
1997 in etwa 30 km Höhe in der Südhemisphäre gemessen
wurden. Im Beobachtungszeitraum zeichnet sich der südpolare Wirbel durch sehr niedrige N2O-Konzentrationen
aus, die eine Folge von Abwärtstransporten N2O-armer Luftmassen während der Wintermonate sind. Starke Aktivität
planetarer Wellen [48] führt zu einer Verformung des Wirbels und einer Verschiebung in Richtung Tropen. Dadurch
kommt es zu einer Wechselwirkung des Polarwirbels mit
tropischen (N2O-reichen) Luftmassen, die zur Bildung einer ausgedehnten Zunge (Streamer) N2O-reicher Luft führt.
Diese Zunge führt zu einem Transport von N2O in mittleren Breiten.
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Während eines Orbits wechseln sich die verschiedenen Beobachtungsarten ab, wobei Sonnen- und Mondokkultation
nur in hohen nördlichen bzw. südlichen Breiten durchgeführt werden können. SCIAMACHY wurde gemeinsam mit
MIPAS im März 2002 auf ENVISAT in eine polare sonnensynchrone Umlaufbahn gebracht.
In dem von SCIAMACHY abgedeckten Spektralbereich
haben eine Reihe von Molekülen strukturierte Absorptionsquerschnitte. Da im UV und im Sichtbaren die Lichtstreuung an Luftmolekülen und Aerosolen nicht vernachlässigt werden kann, und auch die Reflexion bzw. Streuung
am Boden je nach Oberfläche unterschiedliche spektrale
Charakteristika hat, können nur diejenigen Moleküle zuverlässig nachgewiesen werden, die relativ schmalbandige
Absorptionsstrukturen (< 2 nm) aufweisen. Dazu gehören
neben Ozon vor allem NO2, SO2, BrO, OClO, HCHO,
CHOCHO, H2O sowie O2 und O4. Im NIR-Spektralbereich
kommen noch CO2, CH4 und CO hinzu. Während eines der
14tägigen Orbits nimmt SCIAMACHY typischerweise 1-2
Okkultationsmessungen, 25 Limb-Profile und je nach Spektralbereich zwischen 2000 und 10000 Nadirmessungen auf.
Da die Messungen mit Sonnenlicht arbeiten, sind sie mit
Ausnahme der Emissionssignale auf die Tagseite des Orbits
beschränkt. Aufgrund des sonnensynchronen Orbits von
ENVISAT wird jede Breite zu einer festen lokalen Zeit überflogen, die am Äquator bei 10:00 Uhr liegt. SCIAMACHYABB. 19
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Globale Verteilung
des troposphärischen NO2 aus
SCIAMACHY-Messungen für 2005
(oben) und jährliche Änderung des
troposphärischen
NO2 zwischen
1996 und 2002 abgeleitet aus GOME-Daten [49].
Während sich
über Europa und
Teilen der USA eine deutliche Verbesserung der
Luftqualität beobachten lässt,
nahm die NO2Menge über China
stark zu.
NO2
SCIAMACHY
Das Scanning Imaging Spectrometer for Atmospheric Chartography (SCIAMACHY) ist ein 8-Kanal-Gitterspektrometer,
das den Spektralbereich von 240 nm–2,4 μm mit einer
spektralen Auflösung von 0,2–1,5 nm abdeckt. SCIAMACHY
verfügt über 4 Beobachtungsmodi: Okkultationsmessungen
mit Sonne und Mond, die tangentiale Beobachtung des im
Limb gestreuten Lichts und die Nadir-Beobachtung des von
der Atmosphäre und Erdoberfläche zurückgestreuten
Sonnenlichtes. Während die ersten drei Beobachtungsarten
Vertikalprofile von Spurenstoffen in der Stratosphäre und
Mesosphäre liefern, können mit den Nadir- Messungen troposphärische Spurenstoffverteilungen in guter räumlicher
Auflösung (typischerweise 30 × 60 km2) bestimmt werden.
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Mittelwert der
über die Säule gemittelten Methan-Mischungsverhältnisse für
die Jahre 2003
und 2004 aus
SCIAMACHY-Messungen (oben)
und dem TM4Modell (unten)
[50].
ABB. 20
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Messungen in mittleren und niedrigen Breiten geben eine
Vormittagssituation wieder.
Für die verschiedenen Datenprodukte von SCIAMACHY
werden jeweils ganz unterschiedliche Algorithmen verwendet. Bei der Mehrzahl von ihnen handelt es sich aber
um Abwandlungen der Differentiellen Optischen Absorptions-Spektroskopie (DOAS), die auch bei Fernerkundungsmessungen vom Boden, von Flugzeugen und von Ballonen
aus verwendet wird. Dieser Ansatz berücksichtigt nur Änderungen der Absorption mit der Wellenlänge und kann so
auf eine absolute radiometrische Kalibration der Messungen
verzichten. Darüber hinaus wirken sich Störungen durch
Aerosole oder die Bodenalbedo weniger auf das Ergebnis
aus.
Aufgrund der unterschiedlichen verwendeten Messgeometrien können SCIAMACHY-Daten Beiträge zu Untersuchungen in fast allen Höhenschichten der Atmosphäre
liefern. Ein mit anderen Messmethoden vom Satelliten aus
nicht zugänglicher Bereich ist die untere Troposphäre, die
aufgrund ihrer Bedeutung für das Leben auf der Erde von
herausragendem Interesse ist. Die folgenden Beispiele konzentrieren sich deshalb auf Anwendungen in der Troposphäre.
Stickoxide (NOX = NO + NO2) spielen in der Atmosphäre eine wichtige Rolle. Die Hauptquellen der Stickoxide
sind in vielen Gebieten anthropogene Emissionen von Ver-
METHAN
brennungsprozessen in Verkehr, Industrie, Energieerzeugung und im Haushalt. Daneben spielen aber auch natürliche Quellen wie mikrobiologische Prozesse in Böden, Blitze und Vegetationsbrände eine Rolle. Wie groß die einzelnen Beiträge zum NOx in der Atmosphäre sind, ist noch
nicht klar, zumal sich die Emissionen mit der Zeit auch ändern. Messungen von SCIAMACHY und dem Vorläufergerät
GOME konnten hier schon eine Reihe von wichtigen Beiträgen liefern. So wurde nicht nur erstmals die globale Verteilung des troposphärischen NO2 kartiert (Abbildung 19),
sondern auch einzelne Quellen räumlich und zeitlich bestimmt. Beispiele sind der Beitrag von Blitzen, die Emissionen von Schiffen, der Einfluss von Düngung und Regen auf
Bodenemissionen, der Wochengang der Stickoxidbelastungen in Ballungsgebieten und die globalen Veränderung der
NO2-Werte mit der Zeit. Letztere ist insofern interessant,
als zwei gegenläufige Tendenzen die Entwicklung der letzten Jahre bestimmen: Auf der einen Seite konnte durch technische Verbesserungen und dem Übergang zu saubereren
Treibstoffen insbesondere in Europa und den USA eine deutliche Verbesserung der Luftqualität erreicht werden. Gleichzeitig haben sich durch die rasche Industrialisierung und die
Verbesserung des Lebensstandards in Asien, insbesondere
in China die Emissionen auch von Stickoxiden dort drastisch erhöht.
Methan ist der Kohlenwasserstoff mit der größten atmosphärischen Konzentration. Es hat sowohl natürliche als
auch anthropogene Quellen, insbesondere die Förderung
und Verarbeitung von fossilen Brennstoffen, den Reisanbau,
die Tierhaltung und Deponiebetrieb. Seit Beginn des Industriezeitalters hat sich das Mischungsverhältnis von Methan
in der Atmosphäre fast verdoppelt, und eine weitere Zunahme ist zu erwarten. Dies ist insbesondere deshalb von
Interesse, weil Methan nach CO2 das zweitwichtigste anthropogene Treibhausgas ist. Bodengebundene Messungen
von Methan sind sehr genau und haben zu einem guten
Verständnis des atmosphärischen Methangehaltes geführt.
Die geringe Anzahl der Messpunkte erlaubt jedoch keine zuverlässige Ableitung der globalen räumlichen Verteilung und
der Quellen und Senken. Mit SCIAMACHY konnten erstmals globale Karten der atmosphärischen Gesamtsäule von
Methan bestimmt werden. Ein Vergleich der SCIAMACHY
Messungen mit Modelldaten zeigte gute Übereinstimmung
was den Gradienten zwischen den beiden Hemisphären
und den Jahresgang angeht, das Modell unterschätzt jedoch
deutlich die Methanwerte in den Tropen (Abbildung 20).
Diese Diskrepanz weist auf eine systematische Unterschätzung der biogenen Quellen in den Tropen hin, was gerade
im Hinblick auf eine mögliche Rückkopplung zwischen Klimaänderungen und Vegetation von großer Wichtigkeit ist.
Ausblick
Nachdem in den letzten Jahren mit der Auswertung von Satellitendaten oft Neuland betreten wurde, und viele Spurenstoffe erstmals global beobachtet werden konnten, wird
sich in Zukunft die wissenschaftliche Auswertung der Da188
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ten auf ihre quantitative Interpretation und die Beobachtung
von Langzeittrends verschieben. Dies ist gerade in Hinblick
auf den erwarteten Klimawandel relevant, aber auch für die
Überwachung von Luftverschmutzung in Bodennähe und
die Verfolgung der Entwicklung der stratosphärischen
Ozonschicht.
Bei der technischen Entwicklung der nächsten Jahre
werden im wesentlichen zwei Linien verfolgt werden: (i)
Die Entwicklung bildgebender Horizontsondierungsverfahren mit deutlich erhöhter räumlicher Auflösung und (ii)
die Verwendung geostationärer Satelliten, die bei guter horizontaler Auflösung mehrere Messungen am Tag ermöglichen und dadurch einen Einblick in den Tagesgang der Atmosphärenchemie geben. Mit zunehmender Reife der Datenprodukte wird sich in Zukunft die Auswertung von Satellitendaten, die heute noch weitgehend an Universitäten
und Forschungsinstituten stattfindet, zu den Weltraumorganisationen und Wetterdiensten verlagern, und damit
von „wissenschaftlichen“ zu „operationellen“ Daten werden. Diese können dann direkt in die immer komplexer
werdenden Systeme zur Atmosphärenmodellierung und zur
Datenassimilation einfließen und damit letztlich eine „chemische Wettervorhersage“ ermöglichen.
Zusammenfassung
In der Zeit des globalen Wandels stellt die Untersuchung der
Erdatmosphäre eine große Herausforderung dar. Zum einen
werden für belastbare Wettervorhersagen ständig meteorologische Parameter benötigt. Zum anderen ist der durch
natürliche und menschliche Ursachen beschleunigte Wandel
der Atmosphäre so besorgniserregend, dass die möglichen
Folgen dieses Wandels für die heutige und zukünftige Zivilisation besser vorhergesagt werden sollten. Hierfür sind umfangreiche und genaue Untersuchungen der atmosphärischen
Zusammensetzung, der Strahlung in der Atmosphäre, des Energiebudgets und der Dynamik notwendig. Solche Untersuchungen werden u.a. mit in-situ-Methoden praktisch in allen
Regionen der Atmosphäre durchgeführt, wobei raffinierte
Messinstrumente auf unterschiedlichen Fluggeräten (Zeppeline, Flugzeuge, Ballone, und Raketen) eingesetzt werden. Die
Fernerkundung atmosphärischer Spurenstoffe und Parameter ist praktisch nur durch die Analyse elektromagnetischer
Strahlung möglich. Identifiziert werden die Moleküle aufgrund
ihrer charakteristischen Spektren; die Konzentration der Spurenstoffe ergibt sich aus der Stärke der thermischen Emission
oder der Abschwächung eines externen Signals. Vor etwas
mehr als 45 Jahren wurde das erste Bild der Erde vom Weltraum aus aufgenommen. Seither sind Satellitenbilder zum
vertrauten Bestandteil unserer Alltagswelt und zum unerlässlichen Hilfsmittel der Meteorologie geworden. Neben der bildgebenden Fernerkundung wurden seither aber auch spektroskopische Satelliteninstrumente entwickelt und eingesetzt.
Solche Instrumente arbeiten in verschiedenen Spektralbereichen und erlauben heute die Messung einer Vielzahl von
atmosphärischen Spurenstoffen auf globaler Skala.
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Summary
Monitoring of the atmosphere is an important challenge in
understanding global atmospheric change. In particular,
weather forecasting and the ongoing climate change require
detailed investigations. This includes the continuous monitoring of the atmosphere for a number of meteorological parameters that drive the prognostic weather models. On the
other hand, the natural and anthropogenic atmospheric
change is of increasing public concern. Accordingly, reliable
forecasting of the consequences of this atmospheric change
is crucial for human life. In this respect, sophisticated investigations of the change in atmospheric composition, radiation,
energy budget, and dynamics are necessary. Such studies are
undertaken in virtually in all atmospheric regions using dedicated in-situ instruments that are deployed at the ground, on
airships, aircrafts, high flying balloons and rockets. Of equal
importance in atmospheric observation is the remote sensing of the atmosphere. This involves an analysis of the characteristic electromagnetic radiation which is emitted or absorbed by the atmospheric constituent. An special and unprecedented form of remote sensing is that from satellites
using optical or UV/VIS/IR/MW spectrally resolved observations. The development of increasingly more sophisticated
instruments in combination with different satellite platforms
has led to a much increased and improved data base of many
atmospheric constituents of global coverage.
Schlagworte
Atmosphärische Spurenstoffe, in-situ-Messmethoden, Fernerkundungsmethoden und -Plattformen, Satellitenbeobachtungen.
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[29] D. R. Bates, Some Reactions Occurring in the Earth’s Upper Atmosphere, Annales de Geophysique, Avril-Juin, 1952.
[30] S. Madronich, Intercomparison of NO2 photodissociation and U.V. radiometer measurements,
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[31] A. Albrecht, M. Poellot und S. K. Cox, Pyrgeometer measurements from aircraft, Rev. of Sci.
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[32] C. E. Junge und J. E. Manson, Stratospheric Aerosol Studies, J. Geophys. Res. 1961, 66, 2163.
[33] J. C. Wilson, E. D. Blackshear und J. H. Hyun, The Function and Response of an Improved
Stratospheric Condensation Nucleus Counter, J. Geophys.Res. 1983, 88, 6781.
[34] B. W. Gandrud und A. L. Lazrus, Filter measurements of stratospheric sulfate and chloride in
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[35] C. Kern et al., Applicability of light-emitting diodes as light sources for active DOAS measurements, Applied Optics 2006, 45, 2077.
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[39] T. Wagner et al., MAX-DOAS O4 measurements: A new technique to derive information on
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[40] M. Bruns et al., Retrieval of Profile Information from Airborne Multi Axis UV/visible Skylight
Absorption Measurements, Appl. Optics 2004, 43, No. 22, 4415.
[41] P. Wang et al., Measurements of tropospheric NO2 with an airborne multi-axis DOAS instrument, Atmos. Chem. Phys. 2005, 5, 337.
[42] K.-P. Heue et al., Validation of scientific NO2-SCIAMACHY data using the AMAXDOAS instrument, Atmos. Chem. Phys. 2005, 5, 1039.
John Burrows wurde 1954 in Liverpool, GB, geboren.
Nach dem Studium der Naturwissenschaften am
Trinity College, Cambridge University, schloss er
1978 seine Promotion am Department of Physcial
Chemistry ab. Von 1978 bis 1979 arbeitete er am
„Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics“,
zwischen 1979 und 1982 am A.E.R.E. Harwell sowie
als Gastwissenschaftler an der Universität Oxford.
Von 1982 bis 1992 war er wissenschaftlicher
Mitarbeiter der Abteilung Chemie der Atmosphäre
am Max-Planck-Institut in Mainz. Im Jahr 1992
wurde er als Professor für Physik der Atmosphäre
und des Ozeans an die Universität Bremen berufen
und ist Direktor des Instituts für Umweltphysik und
Fernerkundung. Er hat die Weltraumexperimente
GOME und SCIAMACHY ins Leben gerufen und
forscht in der Bereichen Physik und Chemie der
Atmosphäre.
E-Mail: [email protected]
Herbert Fischer wurde 1942 in Zweibrücken geboren
und studierte Physik an der Ludwig-MaximiliansUniversität in München. Er promovierte und
habilitierte sich dort in Meteorologie. 1986 wurde er
zum Leiter des Instituts für Meteorologie und
Klimaforschung am Forschungszentrum Karlsruhe
und gleichzeitig zum Professor an der Universität
Karlsruhe berufen. Er hat insbesondere wesentlich
zur Fernerkundung atmosphärischer Parameter
beigetragen (z. B. MIPAS-Experimente). Er war
Präsident der Internationalen Strahlungskommission (IAMAS), ist Mitglied der Akademie Leopoldina in
Halle und Sprecher des Forschungsprogramms
ATMO der Helmholtz-Forschungszentren.
Korrespondenzadresse:
Forschungszentrum Karlsruhe
Postfach 3640
76021 Karlsruhe
[email protected]
[43] Vertical Profile of peroxyacetylnitrate (PAN) from MIPAS-STR measurements over Brazil in
February 2005, ACPD, submitted October 2006.
[44] H. Harder et al., Stratospheric BrO Profiles Measured at Different Latitudes and Seasons:
Atmospheric Observations, Geophys. Res. Lett. 1998, 25, 3843.
[45] M. Höpfner et al., First spaceborne observations of Antarctic stratospheric ClONO2 recovery:
austral spring 2002, J. Geophys. Res. 2004, 109, No. D11, D11308,
doi:10.1029/2004JD004609.
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www.chiuz.de
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SPURENSTOFFSONDIERUNG
Klaus F. Künzi studierte Physik an der Universität
Bern, Schweiz, und promovierte dort 1970. Nach
Forschungsaufenthalten am MIT, Cambridge, USA,
und an der TU in Lyngby/Kopenhagen, Dänemark
war er 1974-88 am Institut für angewandte Physik
der Universität Bern tätig und übernahm 1988 eine
Professur an der Universität Bremen (seit 2004 ist er
im Ruhestand.) Wichtige Bereiche seiner Arbeit sind
die Entwicklung neuer Beobachtungsmethoden zum
besseren Erfassen des Zustandes unserer Umwelt
und ihrer Veränderungen, die Aufbereitung und
Interpretation der gesammelten Daten und die
Entwicklung und Verwendung von Modellen.
E-Mail: [email protected]
Klaus Pfeilsticker wurde 1954 in Isny/Allgäu geboren
und studierte von 1975 bis 1980 Physik an den
Universitäten Ulm, Heidelberg und Beer-Sheba/
Israel. Seine Promotion erfolgte 1985 an der
Universität Heidelberg. Nach Forschungsaufenthalten in Bremerhaven, Jülich, Heidelberg und Boulder/
USA wurde er 1998 an der Universität Heidelberg
mit einem Thema zu atmosphärischen Strahlungstransport habilitiert. Seit 2005 ist er außerordentlcher Professor an der Fakultät für Physik und
Astronomie der Universität Heidelberg.
E-Mail: [email protected]
Ulrich Platt ist Jahrgang 1949, er studierte von 1968
bis 1974 Physik an der Ruprecht-Karls Universität
Heidelberg. Ab 1974 war er wissenschaftlicher
Mitarbeiter am Forschungszentrum Jülich. Nach
seiner Promotion 1977 und der Habilitation in
Geophysik (Universität Köln, 1984), sowie einer
anderthalbjährigen Tätigkeit am Statewide Air
Pollution Research Center der University of California, Riverside, USA (1979 bis 1981) folgte er 1989
einem Ruf auf einen Lehrstuhl in Experimentalphysik
an die Universität Heidelberg. Seitdem ist er Direktor
am Institut für Umweltphysik, seine Forschungsinteressen umfassen die Rolle freier Radikale in der
Atmosphäre, spektroskopische Messung von
atmosphärischen Spurenstoffen (DOAS), Fernerkundung und Strahlungstransport in der Erdatmosphäre.
Korrespondenzadresse:
Institut für Umweltphysik
Universität Heidelberg
Im Neuenheimer Feld 229
69120 Heidelberg
[email protected]
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AT M OS PH Ä R E N C H E M I E
Andreas Richter ist Jahrgang 1964 und studierte von
1985 bis 1991 Physik an der Ludwig-Maximilans
Universität München. Seit seiner Promotion im Jahr
1997 leitet er die DOAS-Arbeitsgruppe am Institut
für Umweltphysik der Universität Bremen und
arbeitet vor allem an der Weiterentwicklung und
Interpretation von satellitengestützten Fernerkundungsmessungen troposphärischer Spurengase.
E-Mail: [email protected]
Martin Riese wurde 1961 in Köln geboren und
studierte von 1983 bis 1989 Physik an der Bergischen Universität Wuppertal. Nach seiner Promotion
(1994) und Habilitation (2001) in den Gebieten der
satellitengestützten Infrarot-Fernerkundung und
Atmosphärenmodellierung folgte er im Jahr 2002
einem Ruf auf eine Direktorenstelle am Institut für
Chemie und Dynamik der Geosphäre (Forschungszentrum Jülich). Im Jahr 2003 wurde er zum
Professor für Atmosphärenphysik am Fachbereich
Mathematik und Naturwissenschaften der Universität Wuppertal ernannt.
E-Mail: [email protected]
Gabriele Stiller wurde 1960 geboren und studierte
von 1978 bis 1984 Physik an der Universität
Karlsruhe (TH). Nach ihrer Doktorarbeit 1987
wechselte sie in die atmosphärische Fernerkundung
im Infraroten am neugegründeten Institut für
Meteorologie und Klimaforschung (IMK) des
Forschungszentrum Karlsruhes. Nach Arbeiten zur
bodengebundenen Infrarot-Spektroskopie der
Atmosphäre und einem Forschungsaufenthalt 1993
am Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, Kalifornien übernahm sie 1995 die Leitung der MIPAS/
ENVISAT-Arbeitsgruppe des IMK und arbeitet
seitdem an der Auswertung und Interpretation
satellitengestützter Infrarot-Fernerkundungsdaten.
E-Mail: [email protected]
Thomas Wagner, geboren 1966, studierte von 1989
bis 1995 Physik an der Universität Heidelberg und
promovierte 1999 in der Arbeitsgruppe für Atmosphärenphysik von U. Platt. In seiner Promotion und
Habilitation (2003) beschäftigte er sich mit der
Analyse atmosphärischer Spurenstoffe aus neuartigen Satellitenmessungen. 2006 wurde er zum
APL-Professor an der Universität Heidelberg ernannt.
Im Oktober wechselte er an das Max-Planck-Institut
für Chemie in Mainz und leitet dort die neugegründete Forschungsgruppe für Satellitenfernerkundung.
E-Mail: [email protected]
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